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          实现一个精简的BLE从机协议栈—2—链路层包格式和nrf52840上的配置
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        <center>
本文描述 BLE 链路层数据包的具体格式，并解析如何在 nordic nrf52840 硬件上配置 BLE 数据包。
</center>

<span id="more"></span>

<hr>
<ul>
<li>本系列文章，基于<code>nordic nrf52840</code> MCU，来实现一个精简的 BLE 从机协议栈。</li>
<li>已经实现的协议栈地址：<a target="_blank" rel="noopener" href="https://github.com/fengxun2017/dh_ble/tree/dev">https://github.com/fengxun2017/dh_ble&#x2F;tree&#x2F;dev</a>，目前在dev分支进行更新开发。早期是基于<code>nrf51822</code>实现了<code>BLE 4.0</code>规范中从机协议栈中的必要部分，实现了可以和手机连接并传输数据。目前手上只有<code>nrf52840</code>了，当前基于<code>nrf52840</code>实现底层需要的驱动，并通过该系列文章，逐步修改一些上层不合理的地方。</li>
<li>该系列文章，涉及到的协议部分会基于<code>BLE 5.3</code>规范进行描述，但仍旧只实现<strong>最简单、必要</strong>的部分（能连上手机，进行通信即可），并基于<code>iphone</code>进行测试。因此，<code>android</code>可能会由于发送一些我没实现的指令，出现兼容性问题。并且由于没有充分的错误场景测试，一些实现本身可能存在缺陷。</li>
<li>本系列文章，只是用来作为学习 BLE 协议的参考，从硬件层驱动，链路层，到上层协议，都以最直接，简单的方式来实现。</li>
</ul>
<p><strong>我们目前没有实现定期广播（Periodical Advertising），后文不描述定期广播相关部分。只实现一些必备的简单广播&#x2F;连接指令。也不涉及为 LE Audio 而设计的同步通道（ Isochronous Channels ）相关信息</strong>。</p>
<h4 id="1——BLE-链路层数据包基本形式（LE-Uncoded）："><a href="#1——BLE-链路层数据包基本形式（LE-Uncoded）：" class="headerlink" title="1——BLE 链路层数据包基本形式（LE Uncoded）："></a>1——BLE 链路层数据包基本形式（LE Uncoded）：</h4><p>BLE 链路层数据包的基本格式（LE Uncoded）如下所示：<br><img src="/2023/04/03/BleStack-link-packet/le-uncoded-packet.png"></p>
<p>数据包最后的 <code>Constant Tone Extension</code>是可选的，与蓝牙5.1新增的方向测量，到达角（AoA）和出发角（AoD）相关，<a target="_blank" rel="noopener" href="https://www.bluetooth.com/blog/new-aoa-aod-bluetooth-capabilities/">参考官网信息</a>。基于这个方向信息，可以实现定位功能。定位的大体逻辑为：<br>基于AoA的定位方案：发送端（需要被定位的目标设备）使用单一天线发送信号，接收端（基站）使用天线阵列，接收端根据天线阵列接收到信号的相位差，来计算出信号的方向。应用场景中存在多个固定的接收信号终端（基站），汇聚每个接收终端的方向信息，信号强度信息，可以定位到发射信号的目标设备。<br>基于AoD的定位方案：与AoA相反，基站（天线阵列）发射信号，待定位的目标设备（单一天线）接收，目标设备通过接收到的信号判断信号发射方向，实现定位。即带定位的目标设备需要内置位置解算算法。</p>
<p>我们不实现蓝牙方向测量相关的部分，所以本文以及后续系列文章都不讨论<code>CTE（Constant Tone Extension）</code>，文章后面的配图也不再包括<code>CTE</code>部分</p>
<p><strong>前导（preamble，1或2字节）</strong>：</p>
<p>接收信号的硬件接收机，会使用前导进行频率同步，同时，前导序列还会用于进行自动增益控制，对接收到的信号进行调整，使其适用于接收机的工作范围内（例如，对弱信号保持增益，对强信号减小增益）。</p>
<p>当 radio的发送速率为1Mbit&#x2F;s时，前导为1字节。<br>当radio发送速率为2Mbit&#x2F;s时，前导为2字节。</p>
<p>前导的内容是交替的0和1序列。<br>因为数值是固定的，在<code>nordic radio</code>中不需要设置它的值，只需要设置<code>MODE</code>寄存器，来配置radio发送速率，并根据配置的发送速率，设置<code>PCNF0</code>寄存器配置前导的长度即可（1或2字节），硬件会根据后续的<code>access address</code>来自动配置前导是序列0101…，还是序列1010…<br><code>我们的实现中，简单起见，直接配置死为 1M bit/s的发送速率，不考虑支持 2M bit/s 的发送速率。</code></p>
<p><strong>接入地址（access address，4字节）</strong>：</p>
<p>前导只有1字节（1Mbit&#x2F;s发送速率时），背景辐射的随机噪声刚好和<strong>1 字节前导</strong>序列相同的概率还是比较高的，因此接入地址的存在进一步减少了随机噪声误识别的概率。</p>
<p>对于普通广播来说，接入地址是固定的 (0x8E89BED6)<br>对于连接来说，接入地址是连接发起方在发起连接时，放在连接参数中的。</p>
<p>所以，对于我们要实现的从机协议栈来说，当我们广播时，我们就将接入地址配置为固定值（0x8E89BED6）.<br>当我们被连接时，从连接发起方的连接请求中获得接入地址，然后配置到硬件寄存器中。（连接发起方，每次发起建立连接请求时，会按照一定规则随机生成一个）</p>
<p><strong>协议数据单元（PDU）</strong><br>协议数据单元，顾名思义就是其内容和协议相关。下文我们只站在实现<code>peripheral</code>协议栈的角度来描述相关信息。</p>
<p> 广播状态下数据包，和连接后的数据包，它们的 PDU内容存在差别，如下图所示：<br><img src="/2023/04/03/BleStack-link-packet/PDU.png"></p>
<p>连接状态下，数据包中PDU信息较多，这里暂不介绍，后续文章具体实现链路层连接状态时再详述。</p>
<p>广播状态下的PDU，有2个字节的<code>Header</code>和具体的负载数据构成。<code>Header</code>中包含的信息有：<br><strong>type：</strong> 报文类型，例如可连接广播，不可连接广播。<br><strong>RFU：</strong> 表示目前未使用，留待以后协议规范更新后可能新增其它特性。<br><strong>ChSel：</strong> BLE5.0 新增了低功耗通道选择算法#2（ LE Channel Selection Algorithm #2），该位就是指示是否支持这个新的通道选择算法。 这个算法更复杂，我们不实现这个通道选择，只支持以前的 Algorithm #1，实现中我们会配置为 ChSel &#x3D; 0<br><strong>TxAdd，RxAdd：</strong> 如果后面的 payload 中携带了地址信息，TxAdd&#x2F;RxAdd指明发送&#x2F;接收地址的类型（0表示public，1表示random ）<br><strong>length：</strong> 表明后面的 payload 长度<br><strong>payload：</strong> 根据type而定，例如type&#x3D;0（表示可连接可扫描的普通广播）时，payload中的数据就是设备地址+广播数据。如下图所示：<br><img src="/2023/04/03/BleStack-link-packet/ADV_IND.jpg"></p>
<p><strong>循环冗余校验（CRC）</strong>：<br>发送数据时，需要计算CRC，并和数据一起发送。<br>接收到的数据，CRC校验通过后，才会进行后续处理。</p>
<p>CRC是通过线性反馈移位寄存器来生成的，BLE 规定的生成多项式为：x^24 + x^10 + x^9 + x^6 + x^4 + x^3 + x + 1，其二进制表示为：1 0000 0000 0000 0110 0101 1011 -&gt; 0x100065B。<br>因此，对于我们实现来说，需要配置 CRC 的生成多项为上述值。此外，还需要配置CRC的初始值。<br>广播时，CRC初始值为固定的 0x555555。<br>连接时，连接发起方发送的连接请求中，会包含参数<code>CRCInit</code>，将该值配置到硬件CRC初始值寄存器中即可。</p>
<h4 id="2——LE-Coded-格式链路层数据包："><a href="#2——LE-Coded-格式链路层数据包：" class="headerlink" title="2——LE Coded 格式链路层数据包："></a>2——LE Coded 格式链路层数据包：</h4><p>BLE 5.0后新增了长距离（Long Range）传输特性，通过前向纠错编码（Forward Error Correction）实现低速率下更远距离的通信。<br>该特性本质是通过向数据中插入额外的冗余数据，使得一些传输错误，可以被恢复（例如，假设二进制信号”1”经过编码后变为”1111”，那么对方收到”0111”，”1011，””1101”，”1110”都可以认为实际数据是”1”。等于是通过发送原始数据4倍大小的数据，来实现一定的纠错能力）。</p>
<p>使用长距离特性时，链路层数的数据具有特定的包格式（LE CODED）：<br><img src="/2023/04/03/BleStack-link-packet/LE-Coded.png"></p>
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图片来自蓝牙核心规范
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<p>与 LE Uncoded相比，多了<strong>编码方案指示（CI）</strong>，以及两个终止序列<strong>TERM1和TERM2</strong>(均为3个连续的0)。<br><strong>需要注意的是，启用 LE Coded 编码，来实现长距离传输时，底层的Radio 发射速率只能为 1Mbit&#x2F;s。</strong></p>
<p>上图中：<br>S&#x3D;8 表示1bit真实数据，经过冗余编码后变为8bit<br>S&#x3D;2 表示1bit真实数据，经过冗余编码后变为2bit<br>例如，上图中 Access Address 是四字节（32bit），LE Coded格式下，必须使用 s &#x3D; 8编码，则编码后变为32*8&#x3D;256bit，Radio发射速率又是 1Mbit&#x2F;s，因此需要 256us。</p>
<p>我们不实现 LE Coded 编码的数据格式，后续也不再描述相关信息。</p>
<h4 id="3——如何在-Nrf52840-上配置-LE-Uncoded-格式数据。"><a href="#3——如何在-Nrf52840-上配置-LE-Uncoded-格式数据。" class="headerlink" title="3——如何在 Nrf52840 上配置 LE Uncoded 格式数据。"></a>3——如何在 Nrf52840 上配置 LE Uncoded 格式数据。</h4><p>nrf52840 Radio的数据包格式如下图所示：<br><img src="/2023/04/03/BleStack-link-packet/nrf52840-packet.png"></p>
<center>
图片nrf52840数据手册
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<p>nrf52840 radio的包结构，是兼容 LE Uncoded格式以及 LE Coded格式。<br>我们只实现 LE Uncoded格式，并且只支持BLE 1Mbit&#x2F;s 的发送速率（需要配置nrf52840 radio的 MODE寄存器）。<br>CI，TERM1，TERM2 字段是 LE Coded 格式下才有的，我们不需要它们。在nrf52840 radio的默认配置下， CI，TERM1，TERM2的长度都是0。所以不需要配置，默认情况下就是没有它们的。<br>其它对应关系如下图：<br><img src="/2023/04/03/BleStack-link-packet/radio-packet-ble-packet.png"></p>
<p>其中， nrf52840 radio 包结构中的 PREAMBLE 就是BLE中的<code>Preamble</code>。我们只实现 LE Uncoded格式，并且只支持BLE 1Mbit&#x2F;s的发送速率，因此 nrf52840 的 PREAMBLE 长度配置成 1字节即可。其值不需要配置，硬件会自动生成。</p>
<p>nrf52840 radio 包结构中的BASE（3字节）和PREFIX（1字节）共同构成了BLE中的<code>Access-Address</code>。</p>
<p>nrf52840 radio 包结构中的 S0，LENG，S1三部分构成了 <code>PDU</code> 中的<code>Header</code>部分（见上一节PDU的图），<code>Header</code>只有在蓝牙方向测量（AoA，AoD）应用中才会是三字节，其它情况都是2字节。我们不实现蓝牙寻向相关功能。<br>因此，实现时，将nrf52840 radio包的 <strong>S1 长度配置为0</strong>。S0 和 LENGTH 长度配置为1，构成了<code>PDU</code>中的<code>Header</code>。</p>
<p>nrf52840 radio 包结构中的PAYLOAD，即为 <code>PDU</code>中的<code>payload</code>。</p>
<p>最后的CRC，即为BLE 包最后的CRC。<br>在nrf52840 radio中，我们需要配置 CRC 长度为3字节，还需要配置其生成多项式，以及初值（如第一节中所述）。<br><strong>注意</strong>：BLE中的 <code>CRC</code> 只计算<code>PDU</code>部分的数据，nrf52840默认是会将前面的ADDRESS包含在内，所以需要配置让其跳过ADDRESS部分</p>
<p>字段配置完后，剩下的就是发送顺序问题：<br>对于多个字节的字段，例如，广播的<code>Access-Address</code>为0x8E89BED6，这4个字节是先发送高位字节（0x8E）还是先发送低位字节（0xD6）？。<br>对于单个字节，例如 0xD6（1101 0110），这8个bit是先发送高位bit还是先发送低位bit？</p>
<p>BLE 规范定义，对于多字节字段，除了CRC，以及消息完整性校验（MIC,链路加密后，PDU中才会有这个，如第一节图中所示，后续到加密相关再介绍），都<strong>先发送低位字节</strong>。<br>对于单个字节来说，除了CRC三个字节，其它都按<strong>最低 bit 先发送</strong>。</p>
<p>对于 nrf52840 radio的设置，Preamble，Access-Address，以及CRC，这三个部分，硬件会自动按 BLE 规范处理发送顺序。<br>我们需要配置PDU部分（nrf52840的 S0，LENGTH，PAYLOAD）的发送序，需要通过PCNF1寄存器将其配置为先发送最低位。</p>
<p>数据的格式，空中发送顺序都处理完后，还剩最后一步，发送前的数据白化（WHITENING）。<br>数据白化的作用： BLE 使用频移键控，其特性是接收连续的相同bit流（例如”0000000000000”）能力比较差。而数据白化，就是对原始信息就行一定随机化，避免了连续的相同bit流。 BLE 的白化也是通过线性反馈移位寄存器来生成的，因此也有两个参数，生成多项式和初值。</p>
<p>对于nrf52840 radio，生成多项式硬件自己处理好了，不需要配置，我们只需要配置初始值。而初值，就是当前使用的信道编号（BLE的 0-39信道）。</p>
<p>综上，就是 nrf52840 radio BLE相关的设置方式。更具体的寄存器配置可以参考<a target="_blank" rel="noopener" href="https://github.com/fengxun2017/dh_ble/blob/dev/source/ChipDrv/NrfDrv/nrf52840/NrfRadioDrv.c">nrf52840&#x2F;NrfRadioDrv.c</a>以及<a target="_blank" rel="noopener" href="https://github.com/fengxun2017/dh_ble/blob/dev/include/ChipDrv/NrfDrv/NrfRadioDrv.h">NrfDrv&#x2F;NrfRadioDrv.h</a></p>
<h4 id="参考资料："><a href="#参考资料：" class="headerlink" title="参考资料："></a>参考资料：</h4><p>【1】<a target="_blank" rel="noopener" href="https://www.bluetooth.com/blog/new-aoa-aod-bluetooth-capabilities/">https://www.bluetooth.com/blog/new-aoa-aod-bluetooth-capabilities/</a></p>

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      <strong>本文作者： </strong>feng xun
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      <a href="http://fengxun2017.github.io/2023/04/03/BleStack-link-packet/" title="实现一个精简的BLE从机协议栈—2—链路层包格式和nrf52840上的配置">http://fengxun2017.github.io/2023/04/03/BleStack-link-packet/</a>
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